Παράγοντες που επηρεάζουν την επίδοση της CPU

1. ΕισαγωγήΣύνοψη βασικών εννοιών, 5-stage pipeline, επεκτάσεις για λειτουργίες πολλαπλών κύκλων

2. Παράγοντες που επηρεάζουν την επίδοση της CPU CPU time = Seconds = Instructions Cycles Seconds -------------- ------------------ x ------------------ x -------------- Program Program Instruction Cycle

3. MEM/WB ID/EX EX/MEM IF/ID Adder 4 Address ALU 5-Stage Pipelined Datapath Instruction Fetch Execute Addr. Calc Memory Access Instr. Decode Reg. Fetch Write Back Next PC MUX Next SEQ PC Next SEQ PC Zero? RS1 Reg File MUX Memory RS2 Data Memory MUX MUX Sign Extend WB Data Imm RD RD RD IR ← Mem[PC] PC ← PC + 4 rslt ← A opIRop B Reg[IRrd]←WB A ← Reg[IRrs] B ← Reg[IRrt] Mem[rslt]

4. Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch DMem DMem DMem DMem ALU ALU ALU ALU Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 Cycle 5 Cycle 6 Cycle 7 Διάγραμμα χρονισμού Time (clock cycles) I n s t r. O r d e r

5. 0 M u x 1 I F / I D I D / E X E X / M E M M E M / W B A d d A d d 4 A d d r e s u l t S h i f t l e f t 2 R e a d n o r e g i s t e r 1 i A d d r e s s P C t R e a d c u d a t a 1 r t R e a d s Z e r o n r e g i s t e r 2 I I n s t r u c t i o n R e g i s t e r s A L U R e a d A L U m e m o r y 0 R e a d W r i t e A d d r e s s d a t a 2 1 r e s u l t d a t a r e g i s t e r M M u D a t a u W r i t e x m e m o r y x d a t a 1 0 W r i t e d a t a 1 6 3 2 S i g n e x t e n d Παράδειγμα για την εντολή lw: Instruction Fetch (IF) Instruction fetch

6. 0 M u x 1 I F / I D I D / E X E X / M E M M E M / W B A d d A d d 4 A d d r e s u l t S h i f t l e f t 2 R e a d n o r e g i s t e r 1 i A d d r e s s P C t R e a d c u d a t a 1 r t R e a d s Z e r o n r e g i s t e r 2 I I n s t r u c t i o n R e g i s t e r s A L U R e a d A L U m e m o r y 0 R e a d W r i t e A d d r e s s d a t a 2 1 r e s u l t d a t a r e g i s t e r M M u D a t a u W r i t e x m e m o r y x d a t a 1 0 W r i t e d a t a 1 6 3 2 S i g n e x t e n d Παράδειγμα για την εντολή lw: Instruction Decode (ID) Instruction decode

7. 0 M u x 1 I F / I D I D / E X E X / M E M M E M / W B A d d A d d 4 A d d r e s u l t S h i f t l e f t 2 R e a d n o r e g i s t e r 1 i A d d r e s s P C t R e a d c u d a t a 1 r t R e a d s Z e r o n r e g i s t e r 2 I I n s t r u c t i o n R e g i s t e r s A L U R e a d A L U m e m o r y 0 R e a d W r i t e A d d r e s s d a t a 2 1 r e s u l t d a t a r e g i s t e r M M u D a t a u W r i t e x m e m o r y x d a t a 1 0 W r i t e d a t a 1 6 3 2 S i g n e x t e n d Παράδειγμα για την εντολή lw: Execution (EX) Execution

8. 0 M u x 1 I F / I D I D / E X E X / M E M M E M / W B A d d A d d 4 A d d r e s u l t S h i f t l e f t 2 R e a d n o r e g i s t e r 1 i A d d r e s s P C t R e a d c u d a t a 1 r t R e a d s Z e r o n r e g i s t e r 2 I I n s t r u c t i o n R e g i s t e r s A L U R e a d A L U m e m o r y 0 R e a d W r i t e A d d r e s s d a t a 2 1 r e s u l t d a t a r e g i s t e r M M u D a t a u W r i t e x m e m o r y x d a t a 1 0 W r i t e d a t a 1 6 3 2 S i g n e x t e n d Παράδειγμα για την εντολή lw: Memory (MEM) Memory

9. 0 M u x 1 I F / I D I D / E X E X / M E M M E M / W B A d d A d d 4 A d d r e s u l t S h i f t l e f t 2 R e a d n o r e g i s t e r 1 i A d d r e s s P C t R e a d c u d a t a 1 r t R e a d s Z e r o n r e g i s t e r 2 I I n s t r u c t i o n R e g i s t e r s A L U R e a d A L U m e m o r y 0 R e a d W r i t e A d d r e s s d a t a 2 1 r e s u l t d a t a r e g i s t e r M M u D a t a u W r i t e x m e m o r y x d a t a 1 0 W r i t e d a t a 1 6 3 2 S i g n e x t e n d Παράδειγμα για την εντολή lw: Writeback (WB) Writeback

10. Περιορισμοί pipeline • Οικίνδυνοι (hazards)αποτρέπουν την επόμενη εντολή από το να εκτελεστεί στον κύκλο που πρέπει • Δομικοί κίνδυνοι (structural): όταν το υλικό δεν μπορεί να υποστηρίξει ταυτόχρονη εκτέλεση συγκεκριμένων εντολών • Κίνδυνοι δεδομένων (data):όταν μια εντολή χρειάζεται το αποτέλεσμα μιας προηγούμενης, η οποία βρίσκεται ακόμη στο pipeline • Κίνδυνοι ελέγχου (control):όταν εισάγεται καθυστέρηση μεταξύ του φορτώματος εντολών και της λήψης αποφάσεων σχετικά με την αλλαγή της ροής του προγράμματος(branches,jumps)

11. Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch DMem DMem DMem DMem ALU ALU ALU ALU ALU Παράδειγμα structural hazard: ένα διαθέσιμο memory port Time (clock cycles) Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 Cycle 5 Cycle 6 Cycle 7 I n s t r. O r d e r Load DMem Instr 1 Instr 2 Instr 3 Ifetch Instr 4

12. Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch DMem DMem DMem ALU ALU ALU ALU Bubble Bubble Bubble Bubble Bubble Παράδειγμα structural hazard: επίλυση με stall Time (clock cycles) Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 Cycle 5 Cycle 6 Cycle 7 I n s t r. O r d e r Load DMem Instr 1 Instr 2 Stall Instr 3

13. Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg ALU ALU ALU ALU ALU Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch DMem DMem DMem DMem DMem EX WB MEM IF ID/RF I n s t r. O r d e r add r1,r2,r3 sub r4,r1,r3 and r6,r1,r7 or r8,r1,r9 xor r10,r1,r11 Παράδειγμα data hazard στον r1 Time (clock cycles)

14. Εξαρτήσεις και κίνδυνοι δεδομένων • Η Jείναιdata dependentαπότην I: H J προσπαθεί να διαβάσει τον source operand πριν τον γράψει η I • ή, η J είναι data dependent από την Κ, η οποία είναι data dependent από την I (αλυσίδα εξαρτήσεων) • Πραγματικές εξαρτήσεις (True Dependences) • Προκαλούν Read After Write (RAW) hazardsστο pipeline I: add r1,r2,r3 J: sub r4,r1,r3

15. Εξαρτήσεις και κίνδυνοι δεδομένων • Οι εξαρτήσεις είναι ιδιότητα των προγραμμάτων • Η παρουσία μιας εξάρτησης υποδηλώνει την πιθανότητα εμφάνισης hazard, αλλά το αν θα συμβεί πραγματικά το hazard, και το πόση καθυστέρηση θα εισάγει, είναι ιδιότητα του pipeline • Η σημασία τωνεξαρτήσεων δεδομένων: 1) υποδηλώνουν την πιθανότηταγια hazards 2) καθορίζουν τη σειρά σύμφωνα με την οποία πρέπει να υπολογιστούν τα δεδομένα 3) θέτουν ένα άνω όριο στο ποσό του παραλληλισμού που μπορούμε να εκμεταλλευτούμε

16. I: sub r4,r1,r3 J: add r1,r2,r3 K: mul r6,r1,r7 Name Dependences (1):Anti-dependences Name dependence,όταν 2 εντολές χρησιμοποιούν τον ίδιο καταχωρητή ή θέση μνήμης (”name”), χωρίς όμως να υπάρχει πραγματική ροή δεδομένων μεταξύ τους 1. Anti-dependence:η J γράφει τον r1 πριν τον διαβάσει η I • Προκαλεί Write After Read (WAR) data hazardsστο pipeline • Δε μπορεί να συμβεί στο κλασικό 5-stage pipeline διότι: • όλες οι εντολές χρειάζονται 5 κύκλους για να εκτελεστούν, και • οι αναγνώσεις συμβαίνουν πάντα στο στάδιο 2, και • οι εγγραφές στο στάδιο 5

17. I: sub r1,r4,r3 J: add r1,r2,r3 K: mul r6,r1,r7 Name Dependences (2): Output dependences 2. Output dependence:η J γράφει τον r1 πριν τον γράψει η I • Προκαλεί Write After Write (WAW) data hazardsστο pipeline • Δε μπορεί να συμβεί στο κλασικό 5-stage pipeline διότι: • όλες οι εντολές χρειάζονται 5 κύκλους για να εκτελεστούν, και • οι εγγραφές συμβαίνουν πάντα στο στάδιο 5 • Τόσο οι WAW όσο και οι WAR κίνδυνοι συναντώνται σε πιο περίπλοκα pipelines (π.χ. multi-cycle pipeline, out-of-order execution)

18. Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg ALU ALU ALU ALU ALU Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch DMem DMem DMem DMem DMem Προώθηση Time (clock cycles) I n s t r. O r d e r add r1,r2,r3 sub r4,r1,r3 and r6,r1,r7 or r8,r1,r9 xor r10,r1,r11 • μειώνονται τα RAW hazards

19. ALU Αλλαγές στο hardware για την υποστήριξη προώθησης ID/EX EX/MEM MEM/WR NextPC mux Registers Data Memory mux mux Immediate Προώθηση ΕΧ->ΕΧ, ΜΕΜ->ΕΧ

20. Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg ALU ALU ALU ALU ALU Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch DMem DMem DMem DMem DMem I n s t r. O r d e r add r1,r2,r3 lw r4, 0(r1) sw r4,12(r1) or r8,r6,r9 xor r10,r9,r11 Προώθηση ΜΕΜ->ΜΕΜ Time (clock cycles)

21. Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg ALU Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch DMem DMem DMem DMem ALU ALU ALU lwr1, 0(r2) sub r4,r1,r6 and r6,r1,r7 or r8,r1,r9 Τα data hazards δεν εξαφανίζονται πλήρως με την προώθηση Time (clock cycles) I n s t r. O r d e r

22. Reg Reg Reg Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch DMem ALU Bubble ALU ALU Reg Reg DMem DMem Bubble Reg Reg Τα data hazards δεν εξαφανίζονται πλήρως με την προώθηση Time (clock cycles) lwr1, 0(r2) I n s t r. O r d e r sub r4,r1,r6 and r6,r1,r7 Bubble ALU DMem or r8,r1,r9

23. Αναδιάταξη εντολών για την αποφυγή RAW hazards Πώς μπορούμε να παράγουμε γρηγορότερο κώδικα assembly για τις ακόλουθες πράξεις? a = b + c; d = e – f; Slow code: LW Rb,b LW Rc,c ADD Ra,Rb,Rc SW a,Ra LW Re,e LW Rf,f SUB Rd,Re,Rf SW d,Rd Fast code: LW Rb,b LW Rc,c LW Re,e ADD Ra,Rb,Rc LW Rf,f SW a,Ra SUB Rd,Re,Rf SW d,Rd

24. Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg Reg ALU ALU ALU ALU Ifetch Ifetch Ifetch Ifetch DMem DMem DMem DMem 10: beq r1,r3,36 14: and r2,r3,r5 18: or r6,r1,r7 36: xor r10,r1,r11 Κίνδυνοι ελέγχουστις εντολές διακλάδωσης: stalls 2 σταδίων

25. Επίπτωση των branch stalls • Αν CPI = 1, η συχνότητα των branches 30%, και τα branch stalls διαρκούν 2 κύκλους => νέο CPI = 1.6! • Μια λύση: καθόρισε το αποτέλεσμα του branch νωρίτερα, ΚΑΙ υπολόγισε τη διεύθυνση-στόχο του branch νωρίτερα • μετακίνηση του ελέγχου ισότητας ενός καταχωρητή με το 0 στο στάδιο ID/RF • προσθήκη αθροιστή στο στάδιο ID/RF για τον υπολογισμό του PC της διεύθυνσης-στόχου • 1 κύκλος branch penalty έναντι 2

26. MEM/WB ID/EX EX/MEM IF/ID Adder 4 Address ALU Τροποποιήσεις στο pipeline Instruction Fetch Execute Addr. Calc Memory Access Instr. Decode Reg. Fetch Write Back Next PC Next SEQ PC MUX Adder Zero? RS1 Reg File Memory RS2 Data Memory MUX MUX Sign Extend WB Data Imm RD RD RD

27. 4 εναλλακτικές προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση των control hazards #1: Πάγωμα του pipeline μέχρι ο στόχος του branch να γίνει γνωστός #2: Πρόβλεψη “Not Taken” για κάθε branch • συνεχίζουμε να φορτώνουμε τις επόμενες εντολές, σα να ήταν η εντολή branch μια «κανονική» εντολή • απορρίπτουμε από το pipeline αυτές τις εντολές, αν τελικά το branch είναι “Taken” • το PC+4 είναι ήδη υπολογισμένο, το χρησιμοποιούμε για να πάρουμε την επόμενη εντολή #3: Πρόβλεψη “Taken” για κάθε branch • φορτώνουμε εντολές αρχίζοντας από τη διεύθυνση-στόχο του branch • Στον MIPS η διεύθυνση-στόχος δε γίνεται γνωστή πριντο αποτέλεσμα του branch • κανένα επιπλέον πλεονέκτημα στον MIPS (1 cycle branch penalty) • θα είχε νόημα σε άλλα pipelines, όπου η διεύθυνση-στόχος γίνεται γνωστή πριν το αποτέλεσμα του branch

28. 4 εναλλακτικές προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση των control hazards #4: Delayed Branches branch instruction sequential successor1 sequential successor2 ........ sequential successorn branch target if taken • delay ενός slot: επιτρέπει απόφαση και υπολογισμό διεύθυνσης-στόχου στο 5-stage pipeline χωρίς stalls Branch delay μήκους n: οι εντολές εκτελούνται είτε το branch είναι Taken είτε όχι

29. «Δρομολόγηση» ενός branch delay slot • το (α) είναι η καλύτερη επιλογή: γεμίζει το delay slot και μειώνει τον αριθμό εντολών

30. Περιορισμοί των βαθμωτών αρχιτεκτονικών • Μέγιστο throughput: 1 εντολή/κύκλο ρολογιού (IPC≤1) • Υποχρεωτική ροή όλων των (διαφορετικών) τύπων εντολών μέσα από κοινή σωλήνωση • Εισαγωγή καθυστερήσεων σε ολόκληρη την ακολουθία εκτέλεσης λόγω stalls μίας εντολής (οι απόλυτα βαθμωτές αρχιτεκτονικές πραγματοποιούν εν σειρά (in-order) εκτέλεση των εντολών)

31. Πώς μπορούν να ξεπεραστούν οι περιορισμοί; • Εκτέλεση πολλαπλών εντολών ανά κύκλο μηχανής (παράλληλη εκτέλεση) →υπερβαθμωτές αρχιτεκτονικές • Ενσωμάτωση διαφορετικών αγωγών ροής δεδομένων, ο καθένας με όμοιες (πολλαπλή εμφάνιση του ίδιου τύπου) ή και ετερογενείς λειτουργικές μονάδες →multicycle operations • Δυνατότητα εκτέλεσης εκτός σειράς (out-of-order) των εντολών →δυναμικές αρχιτεκτονικές

32. Εναλλακτικά... Pipeline CPI = Ideal pipeline CPI + Structural Stalls + Data Hazard Stalls + Control Stalls μέτρο της μέγιστης απόδοσης πουμπορούμε να έχουμε με την εκάστοτε υλοποίηση του pipeline

33. Εναλλακτικά... υπερβαθμωτή εκτέλεση Pipeline CPI = Ideal pipeline CPI + Structural Stalls + Data Hazard Stalls + Control Stalls register renaming προώθηση δυναμική εκτέλεση υποθετική εκτέλεση loop unrolling static scheduling, software pipelining delayed branches, branch scheduling πρόβλεψη διακλαδώσεων

34. Λειτουργίες πολλαπλών κύκλων • Στο κλασικό 5-stage pipeline όλες οι λειτουργίες χρειάζονται 1 κύκλο • Το να έχουμε όλες τις εντολές να τελειώνουν σε έναν κύκλο σημαίνει: • μείωση της συχνότητας για να προσαρμοστεί το pipeline στη διάρκεια της πιο χρονοβόρας λειτουργίας , ή • χρησιμοποίηση εξαιρετικά πολύπλοκων κυκλωμάτων για την υλοποίηση της πιο χρονοβόρας λειτουργίας σε 1 κύκλο • Ρεαλιστική αντιμετώπιση: • επέκταση του pipeline για να υποστηρίζει λειτουργίες διαφορετικής διάρκειας • Παραδείγματα από πραγματικούς επεξεργαστές: • FP add, Int/FP mult: ~2-6 κύκλους • Int/FP div, sqrt: ~20-50 κύκλους • Προσπέλαση στη μνήμη: ~2-200 κύκλους...

35. Multi-cycle execution: επέκτασητου 5-stage pipeline με non-pipelined FP units • 4 διαφορετικές ALUs: • Integer • FP/Integer multiply • FP adder • FP/Integer divide • φανταζόμαστε το ΕΧ για τις FP εντολές σαν να επαναλαμβάνεται για πολλούς συνεχόμενους κύκλους • κάθε τέτοια μονάδα είναι non-pipelined: δε μπορεί να σταλεί (“issue”) προς εκτέλεση σε μια μονάδα μια εντολή, αν κάποια προηγούμενη χρησιμοποιεί ακόμα τη μονάδα αυτή (structural hazard) • η εντολή που stall-άρει καθυστερεί και όλες τις επόμενες

36. Μετρικές για την περιγραφή ενός multi-cycle pipeline • Initiation interval:#κύκλων που μεσολαβούν ανάμεσα στην αποστολή στις μονάδες εκτέλεσης δύο εντολών ίδιου τύπου • ενδεικτικό του throughput μιας pipelined μονάδας εκτέλεσης • Latency:#κύκλων που μεσολαβούν από τη στιγμή που μια εντολή παράγει ένα αποτέλεσμα, μέχρι τη στιγμή που μια άλλη το καταναλώσει • Οι περισσότερες εντολές καταναλώνουν τους τελεστέους τους στην αρχή του ΕΧ • Latency = #σταδίων μετά το ΕΧ όπου μια εντολή παράγει το αποτέλεσμά της

37. Multi-cycle execution: επέκταση του 5-stage pipeline με pipelined FP units • επιτρέπει να βρίσκονται εν εκτελέσει μέχρι 4 FP-adds, 7 FP-muls, 1 FP-divide (non-pipelined) • τα επιμέρους στάδια είναι ανεξάρτητα και χωρίζονται με ενδιάμεσους καταχωρητές • διάσπαση μιας λειτουργίας σε πολλά επιμέρους στάδια: • ↑συχνότητα ρολογιού • ↑latency λειτουργιών +↑συχνότητα RAW hazards + ↑stalls

38. M WB A3 EX IF M4 ID M IF A4 WB M5 WB M1 IF M6 ID M ID WB IF A1 M7 M2 EX M M3 ID A2 Παράδειγμα Clock Cycles 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 MUL.D ADD.D L.D S.D

39. Hazards • Νέα ζητήματα που προκύπτουν: • η μονάδα divide είναι non-pipelined → μπορεί να προκύψουν structural hazards • εντολές διαφορετικού latency → #εγγραφών στο register file σε έναν κύκλο μπορεί να είναι >1 (structural hazards) • οι εντολές μπορεί να φτάσουν στο WB εκτός σειράς προγράμματος → μπορούν να συμβούν WAW hazards(WAR?) • οι εντολές μπορεί να ολοκληρωθούν εκτός σειράς προγράμματος → πρόβλημα με τις εξαιρέσεις • μεγαλύτερο latency στις εντολές → συχνότερα τα stalls εξαιτίας RAW hazards

40. IF ID EX M WB IF ID S M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M WB IF S ID S S S S S S A1 A2 A3 A4 M WB IF S S S S S S ID EX S S S M WB RAW hazards και αύξηση των stalls Clock Cycles 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 L.D F4,0(R2) MUL.D F0,F4,F6 ADD.D F2,F0,F8 S.D F2,0(R2) • full bypassing/forwarding • η S.D πρέπει να καθυστερήσει έναν κύκλο παραπάνω για να αποφύγουμε το conflict στο ΜΕΜ της ADD.D

41. IF IF WB ID WB WB M4 WB A1 M WB IF EX M5 A2 ID IF ID ID IF M EX A3 M6 M1 ID IF EX M M7 WB EX A4 M2 ID M M3 M ID WB M EX M IF Structural Hazards Clock Cycles 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 MUL.D F0,F4,F6 … … ADD.D F2,F4,F6 … … L.D F2,0(R2) • Mε μόνο ένα write port στο register file → structural hazard • multiple write ports (…όμως δεν είναι η συνήθης περίπτωσηστα προγράμματα) • interlocks: • - ελέγχουμε στο ID το ενδεχόμενο η τρέχουσα εντολή να έχει conflict στο WB με μία προηγούμενη εντολή, και αν ισχύει αυτό την stall-άρουμε στο ID (προτού γίνει issue) • - ελέγχουμε το ενδεχόμενο η εντολή να έχει conflict στο WB όταν αυτή πάει να μπει στο ΜΕΜ ή στο WB, και αν ισχύει αυτό τη stall-άρουμε εκεί

42. IF ID A1 WB WB M WB A2 ID EX IF EX A3 IF ID M A4 M EX IF ID WB M IF EX M WB ID WAW Hazards Clock Cycles 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 … … ADD.D F2,F4,F6 inst L.D F2,0(R2) • Mπορεί να προκύψει μόνο αν η “inst” δε χρησιμοποιεί τον F2 • ποιος ο λόγος να έχουμε δύο producers του ίδιου πράγματος χωρίς ενδιάμεσο consumer??? • σπάνια περίπτωση, αφού ένας «λογικός» compiler θα έκανε eliminate τον πρώτο producer • μπορεί όμως να συμβεί!! π.χ.όταν η σειρά εκτέλεσης των εντολών δεν είναι η αναμενόμενη • ( branch delay slots, εντολές σε trap handlers, κ.λπ.) • Το hazard ανιχνεύεται στο ID, όταν η L.D είναι έτοιμη να γίνει issue • Αντιμετώπιση: • καθυστερούμε το issue της L.D μέχρι η ADD.D να μπει στο ΜΕΜ • απορρίπτουμε την εγγραφή της ADD.D → η L.D μπορεί να γίνει issue άμεσα • Η δυσκολία δεν έγκειται τόσο στην αντιμετώπιση του hazard, όσο στο να βρούμε ότι η L.D μπορεί να ολοκληρωθεί πιο γρήγορα από την ADD.D

43. Συνοψίζοντας • Τρεις επιπλέον έλεγχοι για hazards στο ID προτού μια εντολή γίνει issue: • structural: • εξασφάλισε ότι η (non-pipelined) μονάδα δεν είναι απασχολημένη • εξασφάλισε ότι το write port του register file θα είναι διαθέσιμο όταν θα ζητηθεί • RAW: • περίμενε μέχρι οι source registers της issuing εντολής να μην υπάρχουν πλέον σαν destinations στους ενδιάμεσους pipeline registers των pipelined μονάδων εκτέλεσης • π.χ.για τη μονάδα FP-add: αν η εντολή στο ID έχει σαν source τον F2, τότε για να μπορεί να γίνει issue, o F2 δε θα πρέπει να συγκαταλλέγεται στα destinations των ID/A1, A1/A2, A2/A3. • WAW: • έλεγξε αν κάποια εντολή στα στάδια Α1,…,Α4,D,M1,…,M7 έχει τον ίδιο destination register με αυτή στο ID, και αν ναι, stall-αρε την τελευταία στο ID • Προώθηση: • έλεγξε αν το destination κάποιου από τους EX/MEM, A4/MEM, M7/MEM, D/MEM, MEM/WB ταυτίζεται με τον source register κάποιας FP εντολής, και αν ναι, ενεργοποίησε τον κατάλληλο πολυπλέκτη

44. Απόδοση του multi-cycle FP pipeline • stall cycles ανά FP-εντολή • τα RAW hazard stalls «ακολουθούν» το latency της αντίστοιχης μονάδας, π.χ.: • μέσος #stalls που οφείλεται στην MUL.D=2.8 (46% του latency της FP-Mult) • μέσος #stalls που οφείλονται στην DIV.D=14.2 (59% του latency της FP-Div) • τα structural hazards είναι σπάνια, επειδή τα divides δεν είναι συχνά

45. Απόδοση του multi-cycle FP pipeline • stalls ανά εντολή + breakdown • από 0.65 μέχρι 1.21 stalls ανά εντολή • κυριαρχούν τα RAW hazard stalls («FP result stalls»)

46. ALU Case-study: MIPS R4000 Pipeline IS DF TC WB IF RF EX DS Instruction Memory Reg Data Memory Reg • Deeper Pipeline (superpipelining): επιτρέπει υψηλότερα clock rates • Fully pipelined memory accesses (2 cycle delays για loads) • Predicted-Not-Taken πολιτική • Not-taken (fall-through) branch : 1 delay slot • Taken branch: 1 delay slot + 2 idle cycles Branch target and condition eval.

47. ALU Case-study: MIPS R4000 Pipeline decode, register read, hazard checking, ICache hit detection PC selection, initiation of ICache access 1st half of DCache access Dcache hit detection IS DF TC WB IF RF EX DS Instruction Memory Reg Data Memory Reg effective address calculation, ALU operation, branch-target computation, condition evaluation register write-back complete DCache access complete ICache access

48. Load delay (2 cycles) • στην πραγματικότητα, το pipeline μπορεί να προωθήσει τα δεδομένα από την cache πριν διαπιστώσει αν είναι hit ή miss!

49. Branch delay (3 cycles)